精準(zhǔn)曝氣技術(shù)在污水處理中的研究進(jìn)展

高新磊 邱 頡 黃 睿 房 睿

（1 廣東粵海水務(wù)股份有限公司 廣東深圳 518021 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)水資源國(guó)家工程研究中心有限公司 黑龍江哈爾濱 150000）

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染的狀況日益加劇，污水排放量也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。污水處理廠作為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其主要功能是將集中收集后的生活污水達(dá)標(biāo)處理后排入水環(huán)境，從而降低污染。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷提高，我國(guó)污水廠的處理規(guī)模得到了巨大提升。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018 年我國(guó)已建成的污水處理廠達(dá)到5000 余座，年污水處理量達(dá)到700 億立方米。[1]污水處理是保障人們生產(chǎn)生活和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施，雖然污水處理的工藝繁雜，但目前大多數(shù)污水處理廠都使用活性污泥法對(duì)污水進(jìn)行處理，這種污水處理方法已經(jīng)被使用了100 余年，經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。該處理法運(yùn)用微生物代謝的方法對(duì)水中的污染物進(jìn)行降解，微生物在去除污水污染物的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。[2]要保證微生物群落的繁殖就必須滿足適宜其生存的必要條件，污水中的氧氣含量至關(guān)重要，因此，要保證污水中微生物得到有效的繁殖，就要將污水中的氧含量控制在一定的范圍內(nèi)，過(guò)低或過(guò)高的曝氣量都會(huì)影響污水水質(zhì)的處理效果。曝氣法是常見(jiàn)的污水補(bǔ)氧方法，曝氣設(shè)備之所以被廣泛運(yùn)用到污水處理設(shè)備中，不僅因?yàn)槠淇梢蕴峁┏渥愕娜芙庋?，不?huì)對(duì)水環(huán)境造成二次污染，而且具有攪拌混合等功能。[3]曝氣法所消耗的能量占污水處理總能源消耗的一半以上，隨著污水處理廠節(jié)能減排、降低能耗的要求逐漸提高，亟需由常規(guī)的自動(dòng)化控制和人工調(diào)控向精準(zhǔn)化、智能化控制轉(zhuǎn)變。[4]精確控制污水中的氧含量，不僅能夠有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能進(jìn)一步降低能源消耗。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越受到人們的重視，由于城市的快速擴(kuò)張，導(dǎo)致人與環(huán)境出現(xiàn)矛盾，環(huán)境治理工作已經(jīng)刻不容緩，污水控制工作至今沒(méi)有得到妥善的解決，對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境造成較大影響。相關(guān)研究結(jié)果顯示，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)污水廠大多采用傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)控和簡(jiǎn)易的自動(dòng)控制系統(tǒng)，曝氣控制系統(tǒng)存在精確度不高及硬件成本過(guò)高的問(wèn)題。[5]在我國(guó)這樣一個(gè)人口大國(guó)，每年由城市污水導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題層出不窮，對(duì)污水處理廠的曝氣控制技術(shù)提出了更高的要求，不但需要更加精確的控制手段，還需要精細(xì)化的處理方案，降低能源消耗，提高污水處理能力，保護(hù)城市的生態(tài)環(huán)境。

1 污水處理廠曝氣精準(zhǔn)控制理念及必要性

1.1 污水處理廠曝氣精準(zhǔn)控制理念

曝氣系統(tǒng)作為污水處理廠的主要能耗單元，其控制水平對(duì)于污水廠整體的能耗以及出水的水質(zhì)都具有十分重要的影響。由于進(jìn)水水質(zhì)和水量的波動(dòng)，傳統(tǒng)的曝氣控制往往具有滯后性，效果并不理想。[6]考慮到城市發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，在污水處理過(guò)程中采用曝氣技術(shù)應(yīng)遵循一定的原則，需要利用在線監(jiān)測(cè)儀表實(shí)時(shí)采集污水量、氣量、溶解氧、鼓風(fēng)機(jī)功率以及壓力等信號(hào)。

根據(jù)控制理論可知，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣，首先，要控制空氣的輸入量，空氣輸入后經(jīng)過(guò)曝氣裝置噴出就會(huì)形成氣泡，這些氣泡具有不同的體積，在污水中不斷上浮，實(shí)現(xiàn)曝氣量的精準(zhǔn)控制。其次，要控制空氣的溫度，使空氣具有一定的冷凝作用，以便于形成水珠增強(qiáng)曝氣的精準(zhǔn)控制，這是要求氣泡系統(tǒng)具有較高的控制精度，使曝氣的有效性得以提升，最終實(shí)現(xiàn)曝氣的精準(zhǔn)控制。[7]精準(zhǔn)曝氣可以實(shí)現(xiàn)污水廠的生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行以及出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，更重要的是，比人工控制更加節(jié)能。

1.2 污水處理廠曝氣總量精準(zhǔn)控制的必要性

根據(jù)現(xiàn)階段我國(guó)污水處理廠的實(shí)際情況，曝氣控制精度普遍處于較低的水平，導(dǎo)致污水處理廠的能耗普遍較高，為了提升能源利用率，進(jìn)行曝氣總量的精準(zhǔn)控制是非常必要的。

污水處理廠通過(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)門控制曝氣總量，并將溶解氧的含量作為參考指標(biāo)。大多數(shù)污水處理廠采取人工方法進(jìn)行風(fēng)門控制，操作人員根據(jù)溶解氧指標(biāo)反復(fù)調(diào)整風(fēng)門的大小，受操作人員的水平和經(jīng)驗(yàn)的限制，水質(zhì)穩(wěn)定性難以得到保障，資源浪費(fèi)較為明顯。在對(duì)曝氣量進(jìn)行控制時(shí)，污水處理廠的負(fù)荷是不斷變化的，沒(méi)有固定規(guī)律可循，溶解氧的波動(dòng)很大，需要操作人員反復(fù)調(diào)整，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度較大，控制準(zhǔn)確度也較低。要想精確控制溶解氧的含量，可以引入在線檢測(cè)的方法，通過(guò)先進(jìn)的傳感器檢測(cè)氧含量，為曝氣量的控制提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助工作人員準(zhǔn)確控制曝氣量的大小，但在實(shí)際工況下，氧含量傳感器的位置和數(shù)量對(duì)測(cè)量精度有較大的影響，并且受電子設(shè)備傳輸?shù)挠绊?，監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的滯后性。

因此，曝氣總量的精確控制除參考氧含量這一指標(biāo)外，還應(yīng)遵循曝氣量變化規(guī)律，制定科學(xué)的曝氣方案，從而更加精確的控制曝氣總量，滿足保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需求。

1.3 污水處理廠曝氣總量精準(zhǔn)控制中存在的問(wèn)題

1.3.1 自動(dòng)控制與精準(zhǔn)控制相互脫節(jié)

污水處理廠制定精確曝氣方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，有針對(duì)性的提高控制精度。在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，仍存在控制精度偏低的問(wèn)題，這是因?yàn)橄嚓P(guān)的工作人員對(duì)控制技術(shù)掌握不夠充分，缺乏工作經(jīng)驗(yàn)，不具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)造成的，導(dǎo)致曝氣控制時(shí)無(wú)法做到精確控制與實(shí)際需求的協(xié)調(diào)，影響精確控制的實(shí)施效果。

1.3.2 曝氣精準(zhǔn)控制的硬件條件較高

現(xiàn)階段我國(guó)污水處理廠精準(zhǔn)曝氣控制嚴(yán)重依賴于硬件設(shè)備，控制系統(tǒng)包含了自動(dòng)調(diào)節(jié)氣閥、流量計(jì)和先進(jìn)氧傳感器等設(shè)備，這些設(shè)備都要求有極高的控制精度，因此硬件成本較高，在新建污水廠項(xiàng)目中，用于精準(zhǔn)曝氣控制設(shè)備的投入一直居高不下，在項(xiàng)目建設(shè)中存在一定的困難，制約了精準(zhǔn)曝氣控制的建設(shè)。

此外，精準(zhǔn)曝氣所需的各類設(shè)備維護(hù)要求也偏高，儀表及閥門等運(yùn)行一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，如不及時(shí)矯正，可能會(huì)導(dǎo)致曝氣量與實(shí)際需求不一致，容易造成出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。傳統(tǒng)曝氣控制手段又過(guò)分依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，無(wú)法實(shí)現(xiàn)曝氣精準(zhǔn)控制，對(duì)污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定程度的影響。

1.3.3 精確曝氣控制的校驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況可知，大多數(shù)處理廠采用活性污泥數(shù)學(xué)模型作為精準(zhǔn)曝氣控制系統(tǒng)的計(jì)算邏輯，這一算法需要處理廠的歷史數(shù)據(jù)作為參照，才能預(yù)測(cè)出將要執(zhí)行的曝氣總量，一些關(guān)鍵參數(shù)的校驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)控制精度有很大影響。許多污水處理廠都出現(xiàn)過(guò)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，進(jìn)一步增加了水質(zhì)處理的難度，使精準(zhǔn)曝氣控制變得更加困難。

2 精確曝氣技術(shù)分類

曝氣技術(shù)歷經(jīng)兩個(gè)階段，分別是手動(dòng)控制階段和自動(dòng)控制階段，自動(dòng)控制階段主要采用恒氧含量控制方法，又可分為直接控制風(fēng)機(jī)與間接控制風(fēng)機(jī)兩種形式，手動(dòng)控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)曝氣總量的精確控制，能源浪費(fèi)情況嚴(yán)重，后來(lái)技術(shù)人員引入模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制方法，開發(fā)出自動(dòng)控制技術(shù)，并逐漸向智能化方向發(fā)展。現(xiàn)階段我國(guó)自動(dòng)控制技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用還較少，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器技術(shù)逐漸成熟，基于模型的精確控制技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，在自動(dòng)曝氣控制技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外自動(dòng)曝氣技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)階段精確曝氣控制主要分為生物模型和硬件集成兩類。

生物模型主要以水中微生物生長(zhǎng)的模型為基礎(chǔ)，在污水處理池中安裝各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)水溫、氧含量、微生物含量等指標(biāo)，掌握水質(zhì)的變化情況，然后建立污水處理池污泥模型，預(yù)測(cè)空氣需求量，作為控制鼓風(fēng)機(jī)輸出量的參考，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)吹風(fēng)量。理論上來(lái)講，這種方法可以實(shí)現(xiàn)精確的氧含量控制，對(duì)各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求較高，假如監(jiān)測(cè)指標(biāo)與實(shí)際差異較大，計(jì)算結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真，導(dǎo)致需氧量得不到精確控制，產(chǎn)生水質(zhì)異常等情況。我國(guó)研究這種技術(shù)的企業(yè)有上海昊滄公司等，這家企業(yè)開發(fā)的AVS 精確曝氣控制系統(tǒng)就是基于上述理論進(jìn)行曝氣量精確控制的。

沈軍[8]等學(xué)者以上海污水處理廠引進(jìn)的AVS 精確曝氣控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，通過(guò)生物模型等參數(shù)控制，污水池中的氧含量控制精度較高，經(jīng)測(cè)量曝氣池內(nèi)的氧含量變化不超過(guò)±0.5mg/L，水質(zhì)也得到了很好的控制，氧、氨、氮、磷的達(dá)標(biāo)率平均提升5%左右，與采用手動(dòng)控制方法的污水處理廠相比，水質(zhì)得到明顯改善，不合格率降低，曝氣系統(tǒng)的能源消耗降低11%。

趙雅然[9]等學(xué)者分析無(wú)錫市污水處理廠采用AVS精確曝氣控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，該廠污水池中的氧含量能夠穩(wěn)定在（3.5±0.5）mg/L，與未采用該控制系統(tǒng)前相比，供氣系統(tǒng)的供氣量降低30%，節(jié)約電力26%，二沉池內(nèi)的厭氧反應(yīng)得到有效控制，污水處理成本明顯降低，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約資金100 萬(wàn)元。

李升[10]等學(xué)者追蹤了馬頭崗污水處理廠改建項(xiàng)目中引入自動(dòng)曝氣控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，在一年的運(yùn)行過(guò)程中，鼓風(fēng)機(jī)供氧量的控制精度穩(wěn)定在1%左右，水中溶解氧的穩(wěn)定程度超過(guò)0.9，磷含量百分比下降65%。

余云龍[11]等學(xué)者指出精準(zhǔn)曝氣技術(shù)能夠明顯降低污水處理廠的能源消耗，并以某污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明，該處理廠經(jīng)技術(shù)改造后能耗下降20%，供氧量下降16%，水中的氨濃度下降50%，水質(zhì)得到了較大的改善。

硬件集成控制模式簡(jiǎn)化了生物模擬環(huán)節(jié)，使參數(shù)更加簡(jiǎn)單，僅對(duì)曝氣系統(tǒng)末端的氧含量進(jìn)行精確控制，對(duì)空氣流量傳感器和閥門的要求較高，需要適配高性能風(fēng)機(jī)才能滿足系統(tǒng)需求。這種控制技術(shù)最先由德國(guó)一家企業(yè)提出，該企業(yè)開發(fā)的VACOMASS 精確曝氣控制系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)擁有較高的知名度。

我國(guó)學(xué)者梁銳振[12]等以太湖污水處理廠引入的VS精確曝氣控制系統(tǒng)為例說(shuō)明了該技術(shù)的應(yīng)用效果，與未引入該技術(shù)之前相比，該污水處理廠的氧含量精確度提高0.3 mg/L，氮和磷含量下降1.35 mg/L，耗電量下降27%，說(shuō)明該技術(shù)的應(yīng)用效果非常明顯。

姚斌[13]等學(xué)者研究了紹興污水處理廠三期工程中VS 精確曝氣控制系統(tǒng)的逆行成效，他們追蹤了該污水處理廠一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析結(jié)果顯示應(yīng)用新技術(shù)后溶解氧的波動(dòng)穩(wěn)定在±0.5 mg/L，能耗降低30%，污水處理廠的整體運(yùn)營(yíng)成本降低25%。

唐鑫偉[14]等學(xué)者跟蹤了寧波污水處理廠VS 精確曝氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，該污水處理廠應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)后，水質(zhì)得到了明顯提升，氮含量降低2mg/L，消除率提高5%，未引進(jìn)新技術(shù)前，鼓風(fēng)機(jī)工作電流達(dá)到235A，引進(jìn)新技術(shù)后工作電流下降至212 A。

鄧歡忠[15]等學(xué)者介紹了某污水處理廠新建10 萬(wàn)立方米超大容量的項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，獲得了較好的運(yùn)行效果。

黃仲均[16]等學(xué)者以無(wú)錫污水處理廠為例，說(shuō)明了VS 精確曝氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景，在該污水處理廠的二期項(xiàng)目中采用了這一新技術(shù)，與采用傳統(tǒng)技術(shù)的一期項(xiàng)目相比，氧含量控制精度提高0.5 mg/L，TN 濃度下降1.35 mg/L，曝氣系統(tǒng)的電能消耗下降26%，并且實(shí)現(xiàn)了鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的智能控制，大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得了較好的應(yīng)用效果。

除以上控制技術(shù)外，國(guó)內(nèi)學(xué)者馮立杰[17]等嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入曝氣控制系統(tǒng)中，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，建模進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的預(yù)算，預(yù)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)的功率，這種技術(shù)所需的監(jiān)測(cè)設(shè)備較少，是基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)污水處理廠的實(shí)踐應(yīng)用，該技術(shù)確實(shí)展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景，可以穩(wěn)定控制污水池中的氧含量，鼓風(fēng)機(jī)的功率控制也較為精確，節(jié)能效果明顯。

結(jié)語(yǔ)

污水處理工藝中引用精準(zhǔn)曝氣技術(shù)能大幅度降低污水處理廠的能源消耗，提升排放水質(zhì)，獲得穩(wěn)定的水質(zhì)指標(biāo)。污水處理廠作為保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的重要一環(huán)，其能源消耗一直受到多方面的關(guān)注，曝氣系統(tǒng)占污水處理廠總能源消耗的一半以上，對(duì)曝氣量進(jìn)行精確控制是降低能源消耗，改善水質(zhì)的好方法，隨著環(huán)保理念日益深入人心，以及各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將得到更多污水處理廠的認(rèn)可。

近年來(lái)，為改善水環(huán)境總體質(zhì)量，我國(guó)部分城市和地區(qū)提高了污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)，某些污水廠需將出水水質(zhì)提升至GB3838-2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。在這樣的背景之下，曝氣精確控制系統(tǒng)要想真正發(fā)揮作用，需要進(jìn)一步完善曝氣系統(tǒng)的管理，并結(jié)合污水處理廠的現(xiàn)實(shí)需求，引入合適的自動(dòng)控制手段，雖然在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定問(wèn)題，受工作人員的經(jīng)驗(yàn)和硬件水平的限制，還無(wú)法發(fā)揮出最大作用，但新技術(shù)的節(jié)能減排效果和水質(zhì)改善效果已經(jīng)得到了業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，也為污水處理廠引用新技術(shù)指明了方向，污水處理廠應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際情況，采用最佳的控制模式，提升曝氣控制系統(tǒng)的精確程度，使精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)能夠在實(shí)際的工程應(yīng)用中向低能耗、高效率的方向發(fā)展。